Đồ án Thiết kế bộ ðiểu khiển chống dao ðộng tải cho cầu trục (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế bộ ðiểu khiển chống dao ðộng tải cho cầu trục (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ BỘ ÐIỂU KHIỂN CHỐNG DAO ÐỘNG TẢI CHO CẦU TRỤC GVHD:ThS.NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT SVTH: ÐINH ÐỨC TRUNG MSSV: 13151111 SVTH: NGUYỄN VI CƯỜNG MSSV: 13124007 SVTH: PHAN NGUYỄN VIỆT KHANG MSSV: 13143607 S K L 0 0 5 0 1 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2017
2. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUÂṬ THÀ NH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀ O TẠO CHẤT LƢƠṆ G CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ BỘ ĐIỂU KHIỂN CHỐNG DAO ĐỘNG TẢI CHO CẦU TRỤC SVTH : ĐINH ĐỨC TRUNG MSSV : 13151111 NGUYỄN VI CƢỜNGMSSV : 13124007 Khoá : 2013 Ngành : Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa GVHD: ThS.NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUÂṬ THÀ NH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀ O TẠO CHẤT LƢƠṆ G CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ BỘ ĐIỂU KHIỂN CHỐNG DAO ĐỘNG TẢI CHO CẦU TRỤC SVTH : ĐINH ĐỨC TRUNG MSSV : 13151111 NGUYỄN VI CƢỜNG MSSV : 13124007 Khoá : 2013 Ngành : Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa GVHD: ThS.NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017
4. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tƣ ̣ do – Hạnh phúc Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 7 năm 2017 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Đinh Đức Trung MSSV: 13151111 Nguyễn Vi Cƣờng 13124007 Ngành: KT Điều khiển và tự động hóa Lớp: 13151CLC Giảng viên hƣớng dẫn: ThS.Nguyễn Trần Minh Nguyệt ĐT: 0989638457 Ngày nhận đề tài: Ngày nộp đề tài: 1. Tên đề tài: Thiết kế bộ điều khiển chống dao động tải cho cầu trục 2. Nội dung thƣc̣ hiện đề tài: Thi công mô hình cầu trục và mạch điện điều khiển. Lập trình xử lý tín hiệu và giao diện HMI. Thiết kế bộ điều khiển chống dao động. 3. Sản phẩm: Mô hình cầu trục và các chƣơng trình điều khiển. TRƢỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN i
5. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tƣ ̣ do – Hạnh phúc PHIẾ U NHÂṆ XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ và tên sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Giáo viên hƣớng dẫn: NHÂṆ XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lƣợng thƣc̣ hiện: 2. Ƣu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Giáo viên hƣớng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) ii
6. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tƣ ̣ do – Hạnh phúc PHIẾ U NHÂṆ XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Giáo viên phản biện : NHÂṆ XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lƣợng thƣc̣ hiện: 2. Ƣu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Giáo viên hƣớng dẫn iii
7. LỜI CẢM ƠN Nhóm không thể theo đuổi và hoàn thành đề tài của luận văn tốt nghiệp trong vòng 16 tuần nếu không có sự giúp đỡ của những ngƣời thân và bạn bè xung quanh. Do vậy, với trân trọng và cảm kích, nhóm xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô, những ngƣời thân trong gia đình và bạn bè xung quanh đã chăm sóc, an ủi khi gặp trở ngại và động viên nhóm để thực hiện luận văn. Lời cảm ơn đầu tiên, chúng tôi xin chân thành gửi đến Cô Nguyễn Trần Minh Nguyệt ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn và truyền đạt các kiến thức giúp tôi hoàn thành luận văn này. Điều quan trọng nhất là Th.S Nguyễn Trần Minh Nguyệt hƣớng nhóm tìm đƣợc con đƣờng nghiên cứu các thuật toán mới có tính ứng dụng cao ngoài thực tiễn, và rất phù hợp với sở thích và niềm đam mê của chúng tôi. Bên cạnh đó, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong bộ môn Điều Khiển Tự Động: thầy Nguyễn Minh Tâm, cô Nguyễn Trần Minh Nguyệt, thầyNguyễn Tấn Đời, đã cho nhóm các kiến thức rất bổ ích và quý giá trong quá trình học tập để ứng dụng vào nghiên cứu và phát triển đề tài này cũng nhƣ ứng dụng vào công việc sau này. Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn đại học khóa 2013 đã động viên, giúp đỡ, trao đổi kiến thức với nhau trong suốt khóa học. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, hỗ trợ, tạo điều kiện và động viên về vật chất lẫn tinh thần của các thành viên trong gia đình trong suốt thời gian qua. Tp.HCM, ngày 24 tháng 07 năm 2017 Nhóm thực hiện đề tài Đinh Đức Trung Nguyễn Vi Cƣờng iv
8. TÓM TẮT ĐỀ TÀI Hệ cầu trục đã và đang đƣợc ứng dụng ngày càng rộng rãi để di chuyển container, hàng hóa có kích thƣớc lớn từ địa điểm này đến địa điểm khác trong nhiều khu vực khác nhau nhƣ: bến cảng, công trƣờng, kho hàng. Trong quá trình hoạt động, chuyển động của giàn xe là một trong những nguyên nhân chính gây ra hiện tƣợng lắc lƣ của tải trọng, đặc biệt là quá trình tăng tốc ở đầu hành trình và khi giảm tốc ở cuối hành trình. Việc dao động của tải không chỉ gây khó khăn khi di chuyển tải tới vị trí mong muốn mà còn gây hƣ hỏng cho tải và các cơ cấu của chính cầu trục . Là một đối tƣợng có tính phi tuyến cao và tƣơng đối không ổn định, một phƣơng pháp điều khiển để giảm sự dao động và xác định vị trícủa tải trọng là vấn đề cấp thiết về mặt lý luận cũng nhƣ áp dụng vào thực tiễn. Mô hình toán học đƣợc thiết lập dựa trên công thức Euler-Lagrange. Hệ thống này sử dụng tín hiệu vào của cảm biến góc và encoder của động cơ DC. Sau đó các tín hiệu vào đƣợc xử lý bằng board Arduino để trở thành các đại lƣợng vật lý là góc,vận tốc góc,vị trí,vận tốc.Đây là các thông số cần thiết cho khâu hồi tiếp.Bộ điều khiển theo thuật toán Fuzzy đƣợc thiết kế để thay đổi vị trí xe dầm theo vị trí đặt dựa trên giá trị vị trí và vận tốc của giàn xe. Trong quá trình hoạt động,ngƣời sử dụng có thể tùy chọn bộ điều khiển Fuzzy, PID hoặc Fuzzy tuned PID để chống dao động dựa theo giá trị góc và vận tốc góc.Kết quả đƣợc hiển thị qua giao diện Matlab GUI và kiểm chứng qua thực nghiệm cho thấy hiệu quả của các thuật toán chống dao động khác nhau. v
9. SUMMARY OF PROJECT Gantry crane systems have been increasingly used to move large containers and goods from one location to another in many places such as ports,warehouses.During operation, the movement of the platform is one of the main causes of the swaying of the load, especially the acceleration at the start position and the deceleration at the end position.The swaying of load not only makes it difficult to move the load to the desired position but also damage the load and the structure of the crane itself.As a highly nonlinear and relatively unstable object, a control approach to reduce oscillation is critical as well as practical.The mathematical model is based on the Euler-Lagrange formula.This system uses input signal of angle sensor and encoder of DC motor. Then the input signals are processed by the Arduino board to become the physical quantities of angle, angular velocity, position, velocity. These are the parameters required for the feedback stage. Fuzzy Controller is designed to change the position of the trolley based on the position and velocity. User can choose the Fuzzy, PID or Fuzzy tuned PID controller prevent oscillation based on angular and angular velocity values. Results are displayed through the Matlab GUI interface ,which shows the effectiveness of different anti-oscillation controller. vi
10. MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾ U NHÂṆ XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ii PHIẾ U NHÂṆ XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT ĐỀ TÀI v SUMMARY OF PROJECT vi MỤC LỤC vii Danh mục hình ảnh x Danh mục bảng biểu xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN 1 1.1. Lời mở đầu 1 1.2. Mục tiêu đề tài 3 1.3. Phƣơng án thực hiện 3 1.4. Giới hạn đề tài. 3 1.5. Các phƣơng pháp nghiên cứu 4 CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 2.1. Mô tả hệ thống 5 2.2. Mô hình hóa hệ thống 6 2.3. Lí thuyết PID 8 2.3.1. Thành phần Tỉ lệ (P) 9 2.3.2. Thành phần Tích phân (I) 10 2.3.3. Thành phần Vi phân (D) 10 2.4. Lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control) 11 2.4.1. Định nghĩa tập mờ 11 2.4.2. Tính chất của tập hợp mờ 14 2.4.3. Biến mờ và biến ngôn ngữ 15 vii
11. 2.4.4. Mệnh đề mờ và mệnh đề hợp thành 16 2.4.5. Các luật hợp thành 17 2.4.6. Giải mờ 17 2.4.7. Hệ quy tắc mờ 19 2.4.8. Xây dựng bộ điều khiển Fuzzy 20 2.5. Bộ điều khiển giám sát mờ (Fuzzy Tuned PD) 21 2.6. Các tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng hệ thống điều khiển 22 2.6.1. Thời gian đáp ứng ts (thời gian quá độ/settling time): 22 2.6.2. Độ vọt lố POT (Percent of Overshoot): 22 2.6.3. Sai số xác lập exl (steady-state error): 23 2.6.4. Tiêu chuẩn IAE (tích phân trị tuyệt đối của sai số) 23 2.7. Giới thiệu I2C 24 2.8. Bộ lọc Kalman 25 2.8.1. Giới thiệu chung về bộ lọc Kalman 25 2.8.2. Tóm tắt lí thuyết bộ lọc Kalman 26 CHƢƠNG 3 : THIẾT KẾ MÔ HÌNH 29 3.1. Thiết kế phần cứng 29 3.2. Giới thiệu linh kiện 30 3.2.1. Arduino Mega 2560 30 3.2.2. Module GY- 521 32 3.2.3. Encoder 33 3.2.4. Động cơ DC 35 3.2.5. Mạch cầu H - BTS7960 43A 35 3.2.6. Nguồn 24V 37 3.3. Thi công mô hình 37 3.4. Phƣơng án thiết lập các linh kiện và lập trình xử lý tín hiệu 39 3.4.1. Xử lí dữ liệu đọc từ cảm biến 39 3.4.2. Thuật toán đo tốc độ động cơ 41 3.4.3. Điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ DC 42 viii
12. 3.4.4. Giao tiếp giữa board Arduino và chƣơng trình Matlab 43 CHƢƠNG 4 : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 46 4.1. Quy trình hoạt động 46 4.2. Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy Logic 48 4.2.1. Fuzzy vị trí 50 4.2.2. Fuzzy góc 53 4.3. Thiết kế bộ điều khiển PD cho góc 56 4.4. Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy Tuned PD cho góc 57 4.5. Giao diện HMI 59 CHƢƠNG 5 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 63 5.1. Kết quả chạy khi không tải 63 5.2. Kết quả chạy khi tải 300g 65 5.3. Kết quả chạy khi tải 600g 67 5.4. Kết quả chạy khi tải 1kg 69 CHƢƠNG 6 : KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 73 6.1. Kết quả đã đạt đƣợc 73 6.2. Các kết quả chƣa đạt đƣợc 73 6.3. Hƣớng phát triển của đề tài 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 ix
13. Danh mục hình ảnh Hình 1.1 Cầu trục mini 1 Hình 1.2 Cầu trục cẩu tháp 2 Hình 2.1 Mô hình cầu trục trong thực tế 5 Hình 2.2 Mô hình hệ cầu trục 7 Hình 2.3 Bộ điều khiển PID 9 Hình 2.4Miền xác định và miền tin cậy của tập mờ 12 Hình 2.5Một sốhàm thuộc 12 Hình 2.6Phép giao của hai tập mờ 13 Hình 2.7 Phép hợp của hai tập mờ 13 Hình 2.8 Phép bù của tập mờ 14 Hình 2.9Giải mờ theo phƣơng pháp cực đại 18 Hình 2.10Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ 20 Hình 2.11 Sơ đồ bộ điều khiển PID giám sát mờ 21 Hình 2.12 Thời gian đáp ứng 22 Hình 2.13 Hiện tƣợng vọt lố 23 Hình 2.14 Sai số xác lập exl khi hệ không còn dao động 23 Hình 2.15 Giá trị IAE 24 Hình 2.16 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi 24 Hình 2.17 Truyền nhận giữa thiết bị chủ và tớ ( Master – Slave ) 25 Hình 2.18 Tóm tắt các phƣơng trình trong Kalman 28 Hình 3.1 Mặt sau mô hình 29 Hình 3.2 Mặt trƣớc mô hình 29 Hình 3.3 Sơ đồ khối và linh kiện sử dụng. 30 Hình 3.4Board Arduino Mega 31 Hình 3.5 Module GY521 33 Hình 3.6 Cấu tạo của encoder 34 Hình 3.7 Nguyên lí hoạt động encoder 34 Hình 3.8Động cơ DC Nisca 35 Hình 3.9 Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H 36 Hình 3.10Mạch cầu H - BTS7960 43A 36 Hình 3.11 Nguồn tổ ong 24V 37 Hình 3.12 Mô hình cầu trục sau khi thi công 38 Hình 3.13 Xe dầm chứa động cơ encoder và cơ cấu dao động 38 Hình 3.14 Sơ đồ nối dây 39 Hình 3.15 Xung khi sử dụng với hàm analogWrite trong Arduino 42 x
14. Hình 3.16 So sánh hai chuẩn giao tiếp Parallel(trên) và Serial(dƣới) 44 Hình 4.1 Lƣu đồ giải thuật hệ thống. 46 Hình 4.2 Mô hình simulink tổng quát hệ thống 47 Hình 4.3 Tọa độ các đỉnh của dạng hình thang và tam giác 49 Hình 4.4 Tọa độ các đỉnh trong hàm liên thuộc 49 Hình 4.5 Đồ thị hàm liên thuộc của biến sai số vị trí (Input 1) 50 Hình 4.6 Đồ thị hàm liên thuộc của biến vận tốc xe dầm (Input 2) 50 Hình 4.7 Đồ thị hàm liên thuộc của biến tín hiệu điều khiển theo vị trí 50 Hình 4.8 Đồ thị hàm liên thuộc của góc (Input 1) 53 Hình 4.9 Đồ thị hàm liên thuộc của vận tốc góc (Input 2) 53 Hình 4.10 Đồ thị hàm liên thuộc của tín hiệu điều khiển theo góc 54 Hình 4.11Mô hình simulink PD 56 Hình 4.12 Mô hình simulink Fuzzy tuned PD 57 Hình 4.13 Đồ thị hàm liên thuộc của góc trong Fuzzy D(Input 1) 58 Hình 4.14 Đồ thị hàm liên thuộc của vận tốc góc trong Fuzzy D(Input 2) 58 Hình 4.15 Đồ thị hàm liên thuộc của giá trị thay đổi Kd trong Fuzzy D 58 Hình 4.16 Giao diện HMI trong Matlab 60 Hình 5.1 Kết quả chạy - không tải - không chống dao động 63 Hình 5.2 Kết quả chạy - không tải – chống dao động Fuzzy Logic 63 Hình 5.3 Kết quả chạy - không tải – chống dao động PD 64 Hình 5.4 Kết quả chạy - không tải – chống dao động Fuzzy Tuned PD 64 Hình 5.5 Kết quả chạy - tải 300g – không chống dao động 65 Hình 5.6 Kết quả chạy - tải 300g – chống dao động Fuzzy Logic 65 Hình 5.7 Kết quả chạy - tải 300g – chống dao động PD 66 Hình 5.8 Kết quả chạy - tải 300g – chống dao động Fuzzy Tuned PD 66 Hình 5.9 Kết quả chạy - tải 600g – không chống dao động 67 Hình 5.10 Kết quả chạy - tải 600g – chống dao động Fuzzy Logic 67 Hình 5.11 Kết quả chạy - tải 600g – chống dao động PD 68 Hình 5.12 Kết quả chạy - tải 600g – chống dao động Fuzzy Tuned PD 68 Hình 5.13 Kết quả chạy - tải 1kg – không chống dao động 69 Hình 5.14 Kết quả chạy - tải 1kg – chống dao động Fuzzy Logic 69 Hình 5.15 Kết quả chạy - tải 1kg – chống dao động PD 70 Hình 5.16 Kết quả chạy - tải 1kg – chống dao động Fuzzy Tuned PD 70 xi
15. Danh mục bảng biểu Bảng 2.1 Bảng thông số của hệ thống 6 Bảng 3.1 Chức năng của các khối 30 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 31 Bảng 4.1 Các biến mờ trong Fuzzy vị trí 51 Bảng 4.2 Luật của Fuzzy vị trí 52 Bảng 4.3 Các biến mờ trong Fuzzy góc 54 Bảng 4.4 Luật của Fuzzy góc 55 Bảng 4.5 Các biến mờ trong Fuzzy tuned PD 59 Bảng 4.6 Luật của Fuzzy tuned PD 59 Bảng 5.1 So sánh kết quả điều khiển từ 5 đến 95 cm 71 xii
16. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PID: Proportional-Integral-Derivative PWM : Pulse-width modulation NE: Negative ZE: Zero PO: Positive NB: Negative Big NS:Negative Small ZE: Zero PS: Positive Small PB: Positive Big I2C: Inter- Intergrated Circuit HMI: Human machine interface. IAE : Integral of the Absolute Magnitude of the Error POT: Percent of overshoot xiii
17. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1. Lời mở đầu Cầu trục là một thiết bị, hệ thống đƣợc con ngƣời sử dụng để giúp con ngƣời vận chuyển,cầm hay nâng các hàng hóa nặng, kho hàng, container (tải trọng) đến các vị trí mong muốn nhanh và chính xác. Đƣợc sử dụng chủ yếu trong các bến cảng, nhà máy lớn, các tòa nhà, công trình xây dựng hay trong nhà kho. Một cầu trục đƣợc trang bị dây cẩu hay ròng rọc để có thể nâng hạ tải và một cơ cấu di chuyển theo chiều ngang. Cầu trục hoạt động đơn giản mà có thể giúp con ngƣời di chuyển tải trọng vƣợt quá khả năng. Cầu trục, cần cẩuđầu tiên đƣợc thiết kế bởi ngƣời Hy Lạp cổ đại. Các phiên bản đầu của cần cẩu đƣợc vận hành bằng sức mạnh con ngƣời hoặc động vật nhƣ con lừa.Ngƣời Hi Lạp cổ đại đƣợc cho là đã sử dụng các cần cẩu này trong việc. Ngày nay trong thế giới hiện đại với nhu cầu di chuyển tải trọng lớn, nặng không thể xử lí bằng lao động con ngƣời. Vì thế cầu trục trở nên cực kì quan trọng.Cầu trục bao gồm một cơ chế nâng, hạ và một cơ cấu hỗ trợ. Dây cáp với tải treo trên, móc đƣợc treo từ một điểm trên cơ chế hỗ trợ. Cơ chế hỗ trợ cũng đƣợc gọi là xe đẩy hay cầu giàn đƣợc thiết kế gần đây lớn hơn, có khả năng nâng cao hơn sẽ di chuyển tải trọng xung quanh không gian làm việc. Cơ chế nâng, hạ để nâng hạ các tải và định vị tải ở vị trí mong muốn. Do sự đa dạng của kết cấu và phƣơng pháp điều khiển, có rất nhiều cách khác nhau để phân loại cầu trục, cụ thể cầu trục có thể phân loại theo: công dụng, kết cấu dầm, cách tựa của dầm chính, cách bố trí cơ cấu di chuyển, nguồn dẫn động, vị trí điều khiển và tải trọng nâng.Có các loại cầu trục nhƣ: Hình 1.1 Cầu trục mini ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1
18. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN Hình 1.2Cầu trục cẩu tháp Trong quá trình di chuyển tải trọng tải dao động tự do giống nhƣ dao động của con lắc để đạt đƣợc năng suất cao và tuân thủ sự an toàn yêu cầu bộ điều khiển hiệu quả trong việc chống dao động. Hầu hết các kiểm soát chống dao động đƣợc thực hiện khéo léo bằng tay kết hợp với trực giác, kinh nghiệm và kỹ năng của ngƣời sử dụng để tải treo trên cáp cẩu bằng cách dừng xe đẩy gần vị trí mong muốn và sau đó để cho tải trọng ngừng dao động dần dần. Tuy nhiên điều này đặt ra một số vấn đề thực tếnhƣ sự mệt mỏi của ngƣời sử dụng mà có thể ảnh hƣởng đáng kể hiệu suất và hoạt động của hệ cầu trục. Vì thế chống dao động của tải trọng có thể hạn chế bằng cách nghiên cứu, phát triển các thuật toán điều khiển cho hệ cầu trục xác định góc dao động của tải,vị trí của tải để hệ thống đƣa ra tín hiệu điều khiển đƣa tải về vị trí cân bằng. Trong những thập niên gần đây rất nhiều công trình nghiên cứu về điều khiển cầu trục đƣợc công bố lẫn lí thuyết và thực tế. Theo đó, một số kỹ thuật điều khiển đã đƣợc áp dụng từ những kỹ thuật đơn giản nhƣ điều khiển tuyến tính Sakawa [5] đã xây dựng luật điều khiển tuyến tính nhờ sử dụng phƣơng pháp phản hồi trạng thái và phân bố điểm cực. Kim [6] đã sử dụng thƣớc đo độ nghiêng đơn giản thay cho cảm biến góc lắc để đo góc lắc của khối lƣợng hàng. Trên cơ sở đó, bộ quan sát phi tuyến đã đƣợc thiết kế để ƣớc lƣợng vận tốc của góc lắc khối lƣợng hàng và chuyển động của xe con. Sau đó, bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái đã đƣợc thiết kế với thông tin trạng thái hệ thống đƣợc thu nhận từ bộ quan sát. Phƣơng pháp điều khiển thích nghi cho hệ thống cầu trục cũng đã nhận đƣợc sự quan tâm trong những năm gần đây. Hua [7] phát triển phƣơng pháp điều khiển phi tuyến bằng việc tích ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2
19. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN hợp bộ thích nghi tham số cho mô hình cầu trục hai chiều với chiều dài cáp không đổi một số mở rộng của phƣơng pháp điều khiển thích nghi cho cầu trục đƣợc thực hiện bởi Yang [8], trong đó bộ điều khiển thích nghi đƣợc thiết kế cho hệ cầu trục ba chiều mà không cần bất kỳ thông tin nào về các tham số của cầu trục. Nalley và Trabia [9] đã xây dựng cấu trục hệ thống điều khiển sử dụng logic mờ cho điều khiển vị trí và điều khiển giảm góc lắc. Những ƣu điểm của Logic mờ là không cần mô hình dạng số và là hệ thống động nhằm cải thiện sự thông minh của hệ thống làm việc trong môi trƣờng nhiễu, không chính xác.Bên cạnh đó, bộ điều khiển truyền thống PID và bộ điều khiển kết hợp Fuzzy tuned PID cũng đƣợc áp dụng để tăng tính đa dạng cho đề tàivà so sánh hiệu quả của các bộ điều khiển khác nhau. 1.2. Mục tiêu đề tài - Mục tiêu của đề tài này là xây dựng bộ điều khiển Fuzzy, PID, Fuzzy tuned PID cho hệ cầu trục,tự động hóa khả năng điều khiển vị trí xe dầm và loại bỏ dao động của tải trọng khi vận hành. - Bộ điều khiển chống dao động đƣợc áp dụng trên mô hình cầu trục thực, thông qua giao tiếp giữa hệ thống thực và máy tính. 1.3. Phƣơng án thực hiện - Thi công mô hình cầu trục. - Xác định mô hình toán học của hệ thống cầu trục. - Nghiên cứu, lập trình trên board Adruino và Mathlab. - Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát. - Thiết lập bộ điều khiển Fuzzy, PID, Fuzzy tuned PID. - Tiến hành chạy thực nghiệm, phân tích đáp ứng của hệ thống. 1.4. Giới hạn đề tài. - Do mô hình thử nghiệm nhỏ nên chƣa kiểm chứng khi gặp khối lƣợng lớn. - Tập trung vào việc loại bỏ sự dao động nên việc điều khiển chính xác vị trí giàn xe không đƣợc chú trọng. - Hệ thống chỉ di chuyển trên một chiều và không có cơ cấu nâng hạ. - Điều khiển và thu thập dữ liệu bằng máy tính,không có bộ điều khiển từ xa đƣợc đơn giản hóa. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3
20. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.5. Các phƣơng pháp nghiên cứu  Xây dựng mô hình lý thuyết gồm có: - Xây dựng mô hình hóa của cầu trục - Khảo sát tài liệu, tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đến đề tài nhƣ điều khiển cầu trục, điều khiển phi tuyến. - Khảo sát cầu trục thực tế và các mô hình cầu trục thƣờng đƣợc sử dụng trong phòng thí nghiệm.  Tiếp cận mô hình thực: - Thiết kế khung cơ khí cho hệ thống - Xây dựng tủ điện cho hệ thống ( bộ nguồn, board Adruino, mạch cầu H) và nối dây. - Nghiên cứu cách lập trình trong chƣơng trình Arduino IDE và Matlab - Nghiên cứucông cụ Fuzzy Logic có sẵn trong Matlab để áp dụng vào mô hình thực. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4
21. CHƢƠNG 2 . CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Mô tả hệ thống Cầu trục là tên gọi chung của máy trục kiểu cầu, di chuyển trên đƣờng ray cố định trên kết cấu kim loại hoặc tƣờng cao để vận chuyển các vật trong khoảng không (khẩu độ) giữa đƣờng ray đó (trục gầm). Hình 2.1 Mô hình cầu trục trong thực tế Xét về đặc điểm cấu tạo, cầu trục là một loại máy trục có phần kết cấu thép (dầm chính) liên kết với hai dầm ngang (dầm cuối), trên hai dầm ngang này có các bánh xe để di chuyển trên đƣờng. Cầu trục đƣợc sử dụng rất rộng rãi và tiện dụng để nâng hạ vật nặng, hàng hóa trong các nhà xƣởng, phân xƣởng cơ khí, nhà kho bến bãi Dầm cầu đƣợc gọi là dầm chính thƣờng có kết cấu hộp hoặc giàn, có thể có một hoặc hai dầm, trên đó có xe con và cơ cấu nâng di chuyển qua lại dọc theo dầm chính. Hai dầu của dầm chính liên kết hàn hoặc đinh tán với hai dầm cuối, trên mỗi dầm cuối có các cụm bánh xe, cụm bánh xe chủ động và cụm bánh xe bị động. Nhờ cơ cấu di chuyển cầu và kết hợp cơ cấu di chuyển xe con (hoặc pa lăng) mà cầu trục có thể nâng hạ vật ở bất cứ vị trí nào trong không gian phía dƣới mà cầu trục bao quát. Nhƣ vậy, xét về tổng thể, cầu trục trong mô hình này gồm có phần kết cấu thép (dầm chính, dầm cuối, sàn công tác), hệ thống thiết bị dẫn điều khiển và các cơ cấu chuyển động nhƣ xe con và cơ cấu di chuyển xe con thực hiện nhiệm vụ di chuyển xe con và hàng hóa theo trục ngang hoặc dọc. Là bộ phận chuyển động trên đƣờng ray trên xe cầu, trên đó có đặt cơ cấu nâng hạ và cơ cấu di chuyển cho xe ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5
22. S K L 0 0 2 1 5 4